Qu’est-ce que la technologie de black start d’un système de stockage d’énergie, ainsi que sa fonction et son principe
2025-09-18
Un système de stockage d’énergie (ESS) est un système qui stocke et fournit de l’énergie électrique, offrant des transitions fluides, un déplacement des charges de pointe vers les creux, ainsi qu’une régulation de fréquence et de tension. Il peut lisser la production solaire et éolienne, réduisant ainsi l’impact de l’aléatoire, de l’intermittence et de la volatilité sur le réseau et les utilisateurs. Le fait de charger pendant les périodes creuses et de décharger pendant les périodes de pointe permet de réduire la facture d’électricité des utilisateurs. Lors d’une panne du réseau principal, l’ESS peut fonctionner en mode îloté, garantissant une alimentation ininterrompue.
Parce que les systèmes de stockage d’énergie peuvent être intégrés à chaque étape du système électrique — production, transmission, distribution et utilisation — ils ne se contentent pas d’améliorer la production d’énergie traditionnelle : le développement et l’application de la technologie de stockage d’énergie révolutionneront également la planification, la conception, la répartition, l’exploitation, la gestion et l’utilisation des réseaux intelligents.
1.Stabilité de la fréquence
L’inertie du système diminue, la capacité de régulation de fréquence se réduit et le risque de dépassement des limites de fréquence augmente.
2.Stabilité de la tension
Les nouvelles énergies sont raccordées au réseau à basse tension et disposent de capacités limitées de soutien et de régulation de la tension ; les fluctuations intermittentes de puissance entraînent des variations de tension aux points de connexion.
3.Stabilité de l’angle de puissance
La coexistence de la synchronisation de puissance et de la synchronisation de tension complexifie les caractéristiques de stabilité de l’angle de puissance et accroît l’incertitude.
4.Oscillations à large bande
Le couplage entre convertisseurs et contrôles, entre unités de conversion, ainsi qu’entre convertisseurs et lignes s’intensifie, rendant les problèmes tels que les oscillations à large bande plus marqués.
Un « black start » d’un système de stockage d’énergie désigne le processus de redémarrage du réseau électrique en utilisant le système de stockage comme source d’alimentation de secours après une panne ou une défaillance à grande échelle. Dans ce cas, le réseau est totalement hors service, dans un état dit « black », et le système de stockage fournit l’énergie nécessaire pour rétablir progressivement un fonctionnement normal.
Ⅰ. Rôle des black starts dans les systèmes de stockage d’énergie
Ces dernières années, de nombreuses coupures de courant à grande échelle se sont produites dans le monde. Bien que le développement des réseaux intelligents améliore les capacités d’auto-réparation des systèmes électriques, la multiplicité des facteurs pouvant entraîner des pannes rend irréaliste la prévention totale des blackouts généralisés. Par conséquent, l’élaboration de plans de rétablissement efficaces et fiables, permettant de restaurer rapidement l’alimentation après une panne majeure, est essentielle pour réduire les pertes.
Un black start du système électrique consiste à rétablir l’alimentation de l’ensemble du réseau en activant des générateurs auto-démarrants, qui alimentent ensuite des unités non auto-démarrantes. En d’autres termes, l’objectif d’un black start est de mettre rapidement en service davantage de sources d’énergie, afin de restaurer une plus grande capacité de production.
Ⅱ. Principes du black start des systèmes de stockage d’énergie
En tant qu’équipements actifs de stockage, les stations de stockage d’énergie peuvent injecter de l’électricité dans le réseau lors des périodes de forte demande, contribuant ainsi à soulager la charge du réseau régional. Pendant les périodes creuses, le réseau recharge la station, qui stocke l’excédent d’énergie. Lorsqu’une panne de courte ou de longue durée, voire un blackout complet, survient, la station de stockage adopte différents modes de fonctionnement : synchronisation à court terme, synchronisation à long terme et fonctionnement en îlot.
Une fois la panne réparée, qu’elle soit de courte ou de longue durée, la station de stockage et le réseau se resynchronisent de manière transparente. En fonctionnement îloté, la station repose entièrement sur l’énergie stockée pour maintenir son fonctionnement et peut alimenter les charges critiques de la zone.
Un processus typique de black start comprend trois phases :
1) Initialisation : le système de stockage utilise ses batteries internes pour s’auto-démarrer et établir une tension de bus continu stable.
2) Reconfiguration du réseau : priorité au rétablissement des postes électriques, avec une extension progressive de la zone alimentée grâce à des manœuvres de bouclage.
3) Rétablissement des charges : en suivant le principe « les charges critiques d’abord, puis les autres », les équipements vitaux comme les hôpitaux et les stations de communication sont remis en service en priorité.
Ⅲ. Technologies clés du black start
1) Contrôle coordonné multi-machines : grâce à un algorithme de coordination distribuée, le système atteint une synchronisation de tension à 100 % entre plusieurs convertisseurs de stockage d’énergie et une suppression du courant de circulation supérieure à 99 %.
2) Contrôle basé sur le réseau : grâce à la technologie du générateur synchrone virtuel (VSG), le système simule la réponse inertielle des alternateurs synchrones, avec une précision de régulation de fréquence de ± 0,01 Hz.
3) Résistance aux chocs : en utilisant un algorithme d’amortissement actif, le système peut supporter des chocs allant jusqu’à 10 fois le courant nominal sans se déconnecter du réseau.
Ⅳ. Conception du black start dans les systèmes de stockage d’énergie
Par le passé, les groupes électrogènes diesel (DGE) étaient souvent utilisés comme source d’alimentation pour le black start. D’un point de vue environnemental, les générateurs diesel provoquent un bruit important ainsi qu’une pollution atmosphérique, tandis que les systèmes de stockage d’énergie offrent un fonctionnement sans bruit, sans pollution et avec des économies d’énergie.
D’un point de vue économique, bien que les systèmes de stockage d’énergie nécessitent un investissement initial relativement élevé, ils peuvent participer au marché de la régulation de fréquence et générer des revenus durables grâce aux services auxiliaires de régulation. En termes de vitesse de réponse, les systèmes de stockage d’énergie peuvent atteindre leur pleine charge en quelques secondes lorsqu’ils servent de source de black start, tandis que les DGE nécessitent environ 30 secondes. Ainsi, les systèmes de stockage d’énergie présentent des avantages distincts pour le black start.
Ⅴ. Considérations de conception du black start :
Un black start fournit essentiellement une source VF hors réseau supplémentaire (une source d’alimentation hors réseau supplémentaire pour la centrale).
1) D’abord, sélectionner la batterie (capacité) et la puissance PCS en fonction de la courbe de charge réelle, et concevoir la puissance de charge PCS pour la puissance maximale.
2) Pour la source VF, il existe deux modes de commande principaux : le contrôle en mode droop et le contrôle maître-esclave.
3) Séquence de démarrage.
4) Démarrage de la puissance de chaque nœud et sélection de la puissance de pointe.
5) Durée de démarrage (durée de la puissance de pointe) pour chaque nœud.
6) Plan de basculement de l’alimentation après la fin du démarrage.
En raison du black start, la puissance de charge varie généralement de plusieurs dizaines de mégawatts à plusieurs dizaines de mégawatts, mais la puissance maximale actuelle d’un seul équipement PCS est de 2,5 MW, il est donc nécessaire de connecter plusieurs appareils PCS en parallèle pour réaliser le black start.
Ⅵ.Technologie de contrôle en parallèle des équipements PCS :
1. Contrôle en mode droop
Principe : Chaque onduleur détecte sa propre puissance de sortie et utilise la caractéristique de droop pour déterminer la fréquence et l’amplitude de la tension de sortie. Chaque onduleur ajuste alors finement son amplitude et sa fréquence de sortie en phase opposée afin d’obtenir une répartition équitable des puissances active et réactive.
Si l’impédance du système est inductive et qu’il existe une petite différence d’amplitude et de phase entre les tensions de sortie de deux onduleurs hors réseau, l’onduleur en avance de phase supportera davantage de puissance active, tandis que l’onduleur avec une amplitude plus élevée supportera davantage de puissance réactive.
Le contrôle en mode droop établit donc une relation entre fréquence et puissance active, ainsi qu’entre amplitude et puissance réactive. Cela garantit que les onduleurs délivrant plus de puissance active fonctionnent à des fréquences plus basses (réduction de l’avance de phase), et que ceux délivrant plus de puissance réactive ont des amplitudes plus faibles, ce qui permet une répartition équilibrée de la puissance entre les onduleurs.
Si l’impédance du système est inductive et qu’il existe une petite différence d’amplitude et de phase entre les tensions de sortie de deux onduleurs hors réseau, l’onduleur en avance de phase supportera davantage de puissance active, tandis que l’onduleur avec une amplitude plus élevée supportera davantage de puissance réactive.
Le contrôle en mode droop établit donc une relation entre fréquence et puissance active, ainsi qu’entre amplitude et puissance réactive. Cela garantit que les onduleurs délivrant plus de puissance active fonctionnent à des fréquences plus basses (réduction de l’avance de phase), et que ceux délivrant plus de puissance réactive ont des amplitudes plus faibles, ce qui permet une répartition équilibrée de la puissance entre les onduleurs.
Schéma fonctionnel de contrôle : il inclut une boucle de droop de puissance (détection de la puissance active et de l’écart d’amplitude), une boucle de tension AC, une boucle de courant de l’inductance, une modulation SVM et une boucle à verrouillage de phase (PLL) avec angle défini en interne. La détection de l’amplitude et de la phase de tension fournit des paramètres de commande (gain proportionnel et gain intégral) via la boucle de tension. Ces signaux sont ensuite régulés par la boucle de courant (pour un contrôle rapide et précis du courant) et modulés par la SVM (modulation vectorielle spatiale de largeur d’impulsion), produisant finalement des impulsions de déclenchement IGBT pour équilibrer la puissance.
2. Contrôle maître-esclave
Principe : Un module onduleur est défini comme maître, tandis que les autres fonctionnent comme esclaves. Le maître utilise une double boucle de contrôle tension et courant, tandis que les esclaves utilisent uniquement la boucle de courant. Les consignes de courant des esclaves proviennent de la sortie de la boucle de tension du maître. Une communication à haute vitesse est nécessaire pour l’échange de données entre le maître et les esclaves.
Schéma fonctionnel de contrôle : le maître comprend la boucle de tension AC, la boucle de courant de l’inductance, la modulation SVM et une boucle PLL (avec un angle défini en interne). Les esclaves comprennent la boucle de courant de l’inductance, la modulation SVM et une boucle PLL (avec un angle transmis par le maître ou verrouillé sur la phase de la tension du maître).
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